Κεφάλαιο Τρίτο. Αύξηση και έλεγχος πληθυσμών Γενικά

Transcript

1 Κεφάλαιο Τρίτο Αύξηση και έλεγχος πληθυσμών 3.1. Γενικά Η θνησιμότητα και η γεννητικότητα αποτελούν, όπως διαπιστώσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, τις δύο μείζονες δυνάμεις που επηρεάζουν την αύξηση του πληθυσμού. Εάν οι γεννήσεις ξεπεράσουν τους θανάτους, τότε ο πληθυσμός αυξάνεται, εάν οι γεννήσεις εξισωθούν με τους θανάτους, τότε ο πληθυσμός παραμένει ο ίδιος. Τέλος, εάν οι θάνατοι ξεπεράσουν τις γεννήσεις, ο πληθυσμός οδηγείται σε εξάλειψη. Μια επιπρόσθετη επίδραση στην αύξηση του πληθυσμού αποτελεί και η μετανάστευση, είτε αυτή εμφανίζεται με τη μορφή της εισροής νέων ατόμων σε ένα πληθυσμό (immigration), είτε με την αποχώρηση και το διασκορπισμό των ατόμων από ένα πληθυσμό (emigration). Κανένας όμως πληθυσμός δεν συνεχίζει να αυξάνεται απεριόριστα. Ακόμη και εκείνοι οι πληθυσμοί, οι οποίοι επιδεικνύουν μια εκθετική αύξηση, αντιμετωπίζουν στο τέλος τα όρια του περιβάλλοντος. Οι περισσότεροι από τους πληθυσμούς όμως, δεν συμπεριφέρονται με εκθετικό τρόπο. Έτσι, καθώς η πυκνότητα του πληθυσμού αυξάνει, οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μέλη του πληθυσμού και η διαθεσιμότητα των πόρων καταλήγουν σε μια αυξημένη θνησιμότητα ή σε μια ελαττωμένη γεννητικότητα ή και σε αμφότερα τα φαινόμενα. Αντιθέτως, όταν ο πληθυσμός φθίνει και πέσει κάτω από την πυκνότητα, το περιβάλλον είναι ικανό να τον υποστηρίξει, η θνησιμότητα να μειωθεί, η γεννητικότητα να αυξηθεί και ο πληθυσμός να αυξηθεί (Εικόνα 3.1). Συνεπαγόμενη με την έννοια του ελέγχου του πληθυσμού είναι και η εξάρτηση από την πυκνότητα. Τα εξαρτώμενα από την πυκνότητα αποτελέσματα επηρεάζουν ένα πληθυσμό σε αναλογία με το μέγεθός του. Έτσι, σε κάποιο χαμηλό επίπεδο πυκνότητας δεν παρατηρείται καμία αλληλεπίδραση. Πάνω από το σημείο αυτό, όσο ο πληθυσμός καθίσταται μεγαλύτερος, τόσο μεγαλύτερη γίνεται και η αναλογία των καθέκαστα ατόμων που επηρεάζονται. Οι μηχανισμοί της εξάρτησης από την πυκνότητα δρουν, κατά μεγάλο μέρος, μέσω των περιβαλλοντικών ελλείψεων και του ανταγωνισμού για

2 τους πόρους. Εάν τα αποτελέσματα μιας συγκεκριμένης επίδρασης δεν μεταβάλλονται αναλογικά με την πυκνότητα του πληθυσμού, ή εάν η αναλογία των προσβαλλόμενων ατόμων είναι η ίδια για οποιαδήποτε πυκνότητα, τότε η επίδραση είναι πυκνοανεξάρτητη. Εικόνα 3.1. (α) Οι ρυθμοί γεννήσεων είναι ανεξάρτητοι της πυκνότητας του πληθυσμού, όπως φαίνεται με την ευθεία γραμμή, η οποία, καθώς ο πληθυσμός αυξάνει, παραμένει χωρίς αλλαγή και ο ρυθμός θανάτων αυξάνει με την αύξηση των πληθυσμών. Όσο μάλιστα το Β ξεπερνάει το Μ, τόσο ο πληθυσμός αυξάνει με κατεύθυνση τη χωροϊκανότητα (Κ). Στο Κ ο πληθυσμός φτάνει σε κατάσταση ισορροπίας, όπου και διατηρείται με αυξημένη την θνησιμότητα. (β) Η κατάσταση αντιστρέφεται. Το Μ είναι ανεξάρτητο της πυκνότητας του πληθυσμού και φθίνει με την αύξηση της πυκνότητας μέχρι ότου ο πληθυσμός φτάσει στο Κ. Στο σημείο αυτό το σημείο ισορροπίας διατηρείται από ένα μειωνόμενο ρυθμό γεννήσεων. (γ) Αμφότερα τα Β και Μ είναι πυκνοεξαρτημένα και ο πληθυσμός ισορροπεί, όταν ο ρυθμός γεννήσεων εξισώνεται με το ρυθμό θανάτων. Διακυμάνσεις σε κάθε έναν από αυτούς παρουσιάζουν την τάση ώστε ο πληθυσμός να διατηρηθεί στο σημείο ισορροπίας ή κοντά σε αυτό και επηρεάζουν την πυκνότητα του πληθυσμού. Έτσι, εάν αυξηθεί ο ρυθμός των γεννήσεων, τότε θα αυξηθεί και ο ρυθμός θνησιμότητας. Πηγή: Προσαρμογή από τον Smith (1992) Η δυναμική της αύξησης

3 Ο ρυθμός με το οποίο οι πληθυσμοί μεταβάλλονται μπορεί να εκτιμηθεί από τον καθαρό αναπαραγωγικό ρυθμό, όπως αυτός καθορίστηκε από τον πίνακα γονιμότητας, στο Δεύτερο Κεφάλαιο. Όπως είδαμε άλλωστε, ο καθαρός αναπαραγωγικός ρυθμός, (R 0 ), είναι ο αναμενόμενος αριθμός των θηλυκών απογόνων, τους οποίους ένα νεογέννητο θηλυκό αναμένεται να παράγει στη διάρκεια του βίου του, με την προϋπόθεση βέβαια, ότι θα υπάρξουν ξεχωριστές γενεές. Πολλοί πληθυσμοί, στους οποίους περιλαμβάνονται τα ασπόνδυλα, τα φυτά και όλα τα σπονδυλωτά, έχουν επικαλυπτόμενες γενεές. Η μητρική γενεά συνεχίζει να συμβάλλει στην αύξηση του πληθυσμού, μολονότι αυτό γίνεται με ολοένα μειωνόμενο ρυθμό, ενώ οι απόγονοί της θεωρούνται αναπαραγωγικοί οργανισμοί. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να μετατρέψουμε το χρόνο της γενεάς Τ σε μέσο χρόνο ακολουθίας της γενεάς Τ c, προσθέτοντας την παραγωγή της ηλικίας (x) και τον αριθμό των αναμενόμενων απογόνων, οι οποίοι παράγονται ανά ηλικία (l x m x ), ώστε για να δώσουμε την συνολική σταθμική ηλικία, όπως ακριβώς είδαμε στους Πίνακες 2.1 και 2.2. Η συνολική αυτή σταθμική ηλικία διαιρούμενη με τον καθαρό αναπαραγωγικό ρυθμό (R 0 ), μας δίνει το μέσο χρόνο ακολουθίας της γενεάς, (Τ c ). Για το κόκκινο ελάφι ο μέσος χρόνος γενεάς είναι 5,67 έτη, και για το λευκοστεφές σπουργίτι αυτός είναι 1,8 έτη. Το κόκκινο ελάφι παράγει 1,32 απογόνους, με ένα μέσο όρο 5,67 έτη και το λευκοστεφές σπουργίτι παράγει 1,04 απογόνους, σε ένα μέσο όρο 1,8 έτη. Επειδή είναι πολύ πιο χρήσιμο να υπολογίσουμε την αύξηση του πληθυσμού ανά έτος, παρά ανά γενεά, μετατρέπουμε το R 0 σ ένα ετήσιο περατό ρυθμό αύξησης, ο οποίος διεθνώς χαρακτηρίζεται από το λ της Ελληνικής αλφαβήτου και φέρεται με τον μαθηματικό τύπο(3.1). λ = R 0 l/tc (3.1) Για το κόκκινο ελάφι ο ετήσιος ρυθμός αύξησης είναι: λ = 1,32 l/5,67 λ = 1,32 0,176 = 1,05 και για το λευκοστεφές σπουργίτι ο ετήσιος ρυθμός αύξησης είναι 1,02 (Πίνακας 3.1). Πίνακας 3.1. Πίνακας γονιμότητας για τα θηλυκά του λευκοστεφή σπουργιτιού. Κόκκινο ελάφι Λευκοστεφές σπουργίτι Παράμετροι Τ c R 0 R = λ r 5,67 1,316 1,05 0,048 1,800 1,042 1,023 0,022 Ας σημειωθεί ότι ο ετήσιος ρυθμός αύξησης είναι χαμηλότερος από τον ρυθμό αύξησης της γενεάς.

4 Όταν R = λ = 1, τα θηλυκά αντικαθιστούν το εαυτό τους και ο πληθυσμός παραμένει ο ίδιος. Όταν το λ είναι μεγαλύτερο από το 1, ο πληθυσμός αυξάνεται. Το πόσο γρήγορα αυτός αυξάνεται, προκύπτει από το πόσο περισσότερο το λ ξεπερνάει το 1. Οι πληθυσμοί του κόκκινου ελαφιού και του λευκοστεφούς σπουργιτιού, όπως προκύπτει και από τους πίνακες βιολογικού κύκλου, αυξάνονται με αργό ρυθμό Μορφές αύξησης Η αύξηση του πληθυσμού σε συνάρτηση με το χρόνο, παρουσιάζεται συνήθως, είτε με τη μορφή της καμπύλης σχήματος S, είτε με την καμπύλη του σχήματος J. Εννοείται ότι υπάρχουν και άλλες μορφές, οι οποίες, είτε είναι ενδιάμεσες από αυτές, είτε είναι παραλλαγές αυτών. Σύμφωνα με τη μορφή αύξησης του σχήματος J, στην αρχή ο πληθυσμός αυξάνεται με βραδύ ρυθμό. Στη συνέχεια, ακολουθεί μία ταχύτατη αύξηση, μέχρις ότου ένας από τους παράγοντες που ελέγχουν την αύξηση να καταστεί απότομα περιοριστικός. Η μορφή αυτή μαθηματικά εκφράζεται από τον τύπο (3.2): dn/dt = rn με ορισμένο όριο επί Ν (3.2) Όπου: r είναι ένας στιγμιαίος συντελεστής αύξησης του πληθυσμού. Στη μορφή αύξησης του σχήματος S παρατηρούμε μια αργή αύξηση στην αρχή, η οποία ακολουθείται από μια ταχύτατη αύξηση, ώσπου ένας ή περισσότεροι παράγοντες αρχίσουν να δρουν περιοριστικά, οπότε επέρχεται στο ρυθμό αύξησης σταθερότητα. Η μαθηματική έκφραση της μορφής αυτής δίδεται από την σχέση (3.3): dn/dt = rn (K N/K) (3.3) Το ανώτατο όριο αύξησης, το οποίο υποδηλώνεται με τη σταθερά Κ, είναι το ανώτερο ασυμπτωματικά επίπεδο της σιγμοειδούς καμπύλης, και ονομάζεται χωροϊκανότητα (carrying capacity) 1. Στη μορφή αύξησης του σχήματος J πιθανώς να μην υπάρχει επίπεδο ισορροπίας, αλλά το όριο επί του Ν αντιπροσωπεύει το ανώτατο όριο, το οποίο επιβάλλει το περιβάλλον. Η χωροϊκανότητα δεν είναι σταθερή, δηλαδή δεν παραμένει στο αυτό επίπεδο, ακόμη και όταν ο πληθυσμός συμπληρώσει την αύξησή του. Τουναντίον, αυτή μπορεί να κυμαίνεται ανάλογα με τις μεταβολές, περιοδικές ή μη, του βιότοπου και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων του πληθυσμού ή μεταξύ του υπόψη πληθυσμού 1 Στη Λιβαδοπονία ο όρος carrying capacity, αποδόθηκε (Biswell και Λιάκος 1982) ως βοσκοϊκανότητα και ορίζεται ως «ο αριθμός των ζώων κατά μονάδα επιφανείας, τα οποία δύνανται να βόσκουν και παράγουν το μέγιστο δυνατό επί ένα ορισμένο χρονικό διάστημα άνευ βλάβης του λιβαδιού και των λοιπών φυσικών πόρων».

5 και των λοιπών πληθυσμών άλλων ειδών. Συνήθως, οι διακυμάνσεις του πληθυσμού είναι εποχιακές ή ετήσιες. Συμβαίνει όμως να παρατηρούνται και τυχαίες διακυμάνσεις. Γενικά, όσο μικρότερη είναι η ποικιλομορφία της βιοκοινότητας, τόσο εντονότερες οι διακυμάνσεις των πληθυσμών Η εκθετική αύξηση Η γενική εξίσωση για την αύξηση ενός πληθυσμού είναι: Ν t = N 0 λ (3.4) Όπου: Ν t είναι το μέγεθος του πληθυσμού σε δεδομένη χρονική στιγμή στο μέλλον, N 0 είναι ο αρχικός πληθυσμός, και λ είναι ετήσιος ρυθμός αύξησης. Πίνακας 3.2. Εκθετική αύξηση ενός υποθετικού πληθυσμού Ν t = N 0 R t 0, Ν = 100 Έτος λ = 1,51 λ = 1,32 λ = 1,04 λ = 0, Για τον καθορισμό της αύξησης του πληθυσμού του κόκκινου ελαφιού, για παράδειγμα, θα πρέπει να αρχίσουμε από ένα αρχικό πληθυσμό με N 0 = 100 και λ = 1,05. Η εξίσωση (3.4) μπορεί να γίνει: Ν t+1 = N t λ (3.5) ή πιο απλά: Ν t = N 0 λ t (3.6) στην οποία το λ υψώνεται στη δύναμη του κατάλληλου χρονικού διαστήματος. Για παράδειγμα, Ν 2 = N 0 λ 2. Κάποιοι ρυθμοί αύξησης δίδονται στον Πίνακα 3.2.

6 Εικόνα 3.2. Εκθετική αύξηση για τέσσερις υποθετικούς πληθυσμούς με διαφορετικές τιμές λ. Πηγή: Προσαρμογή από τον Smith (1992). Εάν υπάρχει έλλειψη επαρκών δεδομένων για να σχηματισθεί ο πίνακας γονιμότητας, μπορούμε, από τον πίνακα του βιολογικού κύκλου, να εκτιμήσουμε τον ετήσιο ρυθμό αύξησης (λ), λαμβάνοντας τον λόγο των αριθμών σε διαδοχικά χρονικά διαστήματα, με την εξασφάλιση βέβαια, ότι μπορούμε να πάρουμε επαρκή απογραφικά δεδομένα, μετά από την μετατροπή της εξίσωσης (3.4), και αφού πρώτα λύσουμε ως προς το λ: λ = Ν t+1 / N t (3.7) Για παράδειγμα, μια αγέλη ελαφιών Cariacus macrotis στο Κολοράντο, παρουσίασε για τρία έτη ετήσιους πληθυσμούς που αποτελούνταν από , και άτομα, για τα τρια έτη αντίστοιχα. Στην περίπτωση αυτή το λάμδα θα είναι Ν 2 /Ν 1 = / = 1,02 και Ν 3 /Ν 2 = / = 1,04. Η εξίσωση (3.5) περιγράφει ένα πληθυσμό ο οποίος αυξάνει εκθετικά, όπως ακριβώς συμβαίνει με τον ανατοκισμό. Μιας τέτοιας μορφής αύξηση μπορεί να συμβεί,

7 με την προϋπόθεση το λάμδα να είναι μεγαλύτερο από τη μονάδα, το περιβάλλον να παραμένει σταθερό και να υπάρχουν επαρκείς πόροι. Εάν τα παραδείγματα της εκθετικής αύξησης του Πίνακα 2.2 μεταφερθούν στο διάγραμμα της Εικόνας 3.2, θα παρατηρήσουμε ότι τα σχήματα των καμπυλών μεταβάλλονται με την τιμή του λάμδα. Όσο το λάμδα έρχεται εγγύτερα προς τη μονάδα, τόσο καθυστερεί η αύξηση. Ο πληθυσμός με την τιμή του λ = 1,04, μόλις και μετά βίας αντικαθιστά τον εαυτό του, και ο πληθυσμός με την τιμή κάτω από τη μονάδα μάλλον φθίνει, παρά αυξάνεται εκθετικά. Αυτές οι καμπύλες της αύξησης υποδηλώνουν πολλά χαρακτηριστικά της αύξησης των πληθυσμών. Επηρεάζονται από την κληρονομικότητα και τα χαρακτηριστικά της ιστορίας της ζωής τους, όπως είναι η ηλικία στην αρχή της αναπαραγωγικής τους ικανότητας, ο αριθμός των παραγόμενων νέων ατόμων, η επιβίωση των νέων και το μήκος της αναπαραγωγικής περιόδου. Η αύξηση ενός πληθυσμού μπορεί να γίνεται μ ένα εκθετικό ρυθμό μέχρι που κάποια χρονική στιγμή, η αύξηση θα υπερκεράσει την ικανότητα του περιβάλλοντος να την στηρίζει. Έτσι, ο πληθυσμός αυτός για λόγους λιμού, ασθενειών ή μετανάστευσης, μειώνεται απότομα. Ακολούθως, αυτός είναι δυνατόν, ξεκινώντας από ένα χαμηλό σημείο, είτε να ανακάμψει, για να ξαναπεράσει σε μια άλλη φάση εκθετικής αύξησης, είτε να φτάσει μέχρι του σημείου της εξαφάνισης, είτε τέλος, να ανακάμψει αλλά να κυμαίνεται σε κάποιο επίπεδο που θα είναι όμως, πολύ πιο κάτω από το υψηλό επίπεδο που κάποτε έφτασε. Η εκθετική καμπύλη ή η καμπύλη σχήματος J, είναι χαρακτηριστική για κάποιους ασπόνδυλους ή σπονδυλωτούς πληθυσμούς, οι οποίοι εισέρχονται σ ένα νέο ή ένα μη πλήρες περιβάλλον. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα της καμπύλης εκθετικής αύξησης αποτελεί και το παράδειγμα της ανόδου και της πτώσης του ανθρώπινου πληθυσμού στη νοτιοδυτική Δυτικής Virginia (Εικόνα 3.3). Η αύξηση ανάμεσα στα έτη 1830 και 1950 ήταν εκθετική. Στη δεκαετία 1950 έως 1960 ο πληθυσμός έπεσε δραματικά και, αν εξαιρέσουμε την αύξηση ανάμεσα στο 1970 και 1980, η πτώση συνεχίστηκε μέχρι το Η πτώση δημιούργησε μια καμπύλη τυπική για ένα πληθυσμό, ο οποίος ξεπερνάει την χωροϊκανότητα του περιβάλλοντος. Η αύξηση σταματάει αιφνιδίως και πέφτει απότομα, εν όψει της περιβαλλοντικής υποβάθμισης. Καθώς τα αποθέματα του άνθρακα μειώθηκαν και οι προερχόμενες από την εξόρυξη αυτού εκτάσεις κατέστησαν άχρηστες για άλλες δραστηριότητες και χρήσεις, έφτασε το πρώτο κύμα της εσωτερικής μετανάστευσης. Παγκοσμίως, οι ανθρώπινοι πληθυσμοί υπόκεινται στην εκθετική αύξηση. Κάποια δυτικά κράτη παρουσιάζουν μια μηδενική αύξηση ή μια μέτρια πληθυσμιακή πτώση, αλλά οι περισσότερες χώρες του Τρίτου Κόσμου, στην Αφρική, την Ασία και τη Λατινική Αμερική υφίστανται ρυθμούς αύξησης της τάξης του 1,8 έως 2,9% και ήδη, το περιβάλλον αδυνατεί να στηρίξει τέτοιους τεράστιους πληθυσμούς. Τελικά, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο (έλεγχος των γεννήσεων, πόλεμος, πείνα, ασθένειες, ή ομαδική μετανάστευση), οι πληθυσμοί αυτοί θα μειωθούν απότομα, διότι κανένα περιβάλλον δεν μπορεί να στηρίξει στο διηνεκές και με αειφορικό τρόπο μια εκθετική αύξηση Ο ρυθμός της αύξησης Ο ετήσιος (πεπερασμένος, μετρήσιμος) ρυθμός αύξησης (λ), είναι δυνατό να εκφραστεί επίσης, και ως ρυθμός της αύξησης, (r), ο οποίος θεωρείται και περισσότερο κοινόχρηστος στις πληθυσμιακές μελέτες. Ο ρυθμός της αύξησης

8 επιτυγχάνεται εάν πάρουμε τον λογάριθμο του λ. Συνεπώς, για το κόκκινο ελάφι έχουμε r = log n 1,05 = 0,048 και για το λευκοσκεπές σπουργίτι έχουμε r = 0,022. Το λάμδα λοιπόν, συχνά εκφράζεται και ως e r, όπου e είναι η βάση του φυσικού λογάριθμου, 2,71828, Έτσι, για το κόκκινο ελάφι e r = 2, ,048 = 1,049 = ~1,05. Εικόνα 3.3. Καμπύλη αύξησης πληθυσμού για τέσσερις νομούς της νοτιοδυτικής Δυτικής Virginia η οικονομία των οποίων ήταν εξαρτημένη από τον άνθρακα. Πηγή: Προσαρμογή από τον Smith (1992). Με τη μέθοδο αυτή, ο καθορισμός του r καταλήγει μόνο σε μια προσέγγιση του πραγματικού ρυθμού της αύξησης. Για τον καθορισμό της τιμής (r m ), που είναι και o εγγενής (πραγματικός) ρυθμός της αύξησης, απαιτείται ένας περισσότερο περίπλοκος μαθηματικός υπολογισμός. Ο ρυθμός της αύξησης εξαρτάται από τον εκθετικό ρυθμό με τον οποίο ο πληθυσμός αυξάνει, εάν αυτός εμφανίζει μια σταθερή κατανομή ηλικιών, σύμφωνη με τις τρέχουσες παραμέτρους, όπως αυτές της ηλικίας, της επιβίωσης και της γονιμότητας των πινάκων του βιολογικού κύκλου. Αυτός εξαρτάται επίσης, από την μέση επιβίωση

9 και τη μέση γονιμότητα, σε κάθε ηλικία του πληθυσμού. Επειδή σπάνια η δομή των ηλικιών είναι σταθερή και επειδή η επιβίωση και η γονιμότητα είναι παράμετροι οι οποίες ποικίλουν μέσα στο χρόνο, το r, όπως και το λ, αντανακλούν το παρελθόν και όχι το παρόν. Εν πάση περιπτώσει όμως, η χρήση του έχει και πλεονεκτήματα. Όταν η αύξηση του πληθυσμού μετράται ως r, έχει την ίδια αξία με τον ισοδύναμο ρυθμό της πληθυσμιακής μείωσης. Ας θεωρήσουμε λοιπόν, ένα πληθυσμό που μειώνεται με λ = 0,887. Εάν ο πληθυσμός αυξανόταν με το ίδιο ρυθμό, τότε η τιμή του λ θα ήταν 1,127. Θα πρέπει να παραδεχθούμε λοιπόν, ότι είναι κάπως παράξενο το λ = 0,887 να είναι το αντίθετο του λ = 1,127, ενώ είναι πολύ εύκολο να δούμε τη διασύνδεση μεταξύ r = +0,120 και r = -0,120. Συνεπώς, το r επιτρέπει μια άμεση σύγκριση των ρυθμών και μετατρέπει εύκολα τη μια μορφή σε μια άλλη. Επιπρόσθετα, το r επιτρέπει και τον υπολογισμό του χρόνου διπλασιασμού. Χρόνος διπλασιασμού είναι το χρονικό διάστημα το οποίο χρειάζεται ένας πληθυσμός έτσι ώστε, από μια δοθείσα βάση, να διπλασιάσει το μέγεθός του. Συνεπώς, εάν ο λόγος Ν t / N 0 είναι 2, τότε e rt = 2, rt = log n = 0,6931. Διαπιστώνουμε λοιπόν, ότι ο χρόνος διπλασιασμού είναι 0,6931 / r. Ο χρόνος διπλασιασμού για τον πληθυσμό του κόκκινου ελαφιού είναι 0,6931/0,049 ή 14 έτη, και για το λευκοσκεπές σπουργίτι είναι 31 έτη. Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιείται και για τον καθορισμό του χρόνου διπλασιασμού των ανθρώπινων πληθυσμών. Με ένα μέρος του μυστηρίου να αφαιρείται από το r, εφεξής έτσι θα χρησιμοποιείται ο όρος. Για την παρουσίαση της εκθετικής αύξησης στους όρους του r, η εξίσωση (3.4) θα μετασχηματίζεται στην εξίσωση (3.8): Ν t = N 0 e rt (3.8) Έτσι, για το κόκκινο ελάφι και για το χρόνο t = 2, αφού υποθέσουμε ότι ο αρχικός πληθυσμός N 0 = 100, η εξίσωση (3.5) γίνεται: Η λογιστική αύξηση N 0 = 100 (2, ,048 ) = (2, ,192 ) = 121 Για τους πληθυσμούς που βρίσκονται σ ένα πραγματικό κόσμο, το περιβάλλον δεν είναι πάντα σταθερό και οι πόροι ασφαλώς δεν είναι απεριόριστοι. Καθώς η πυκνότητα ενός πληθυσμού αυξάνεται, αυξάνεται ωσαύτως και ο ανταγωνισμός των μελών του για την αναζήτηση διαθέσιμων πόρων. Με λιγότερους διαθέσιμους πόρους, οι οποίοι θα πρέπει να διαμοιραστούν και με μια ανομοιόμορφη κατανομή των διαθέσιμων αυτών πόρων, η θνησιμότητα θα αυξάνεται και η γονιμότητα θα μειώνεται ή θα συμβαίνουν μαζί και τα δυο. Το αποτέλεσμα που προκύπτει θα είναι με την αύξηση της πυκνότητας, να υποχωρεί η αύξηση του πληθυσμού και να φτάνει τελικά σε ένα επίπεδο στο οποίο η αύξηση του πληθυσμού θα σταματά. Τα επίπεδο αυτό, όπως είδαμε, ονομάζεται χωροϊκανότητα (carrying capacity) ή (Κ). Θεωρητικά, στο Κ ο πληθυσμός βρίσκεται σε μια ισορροπία με τους πόρους του ή το περιβάλλον του. Με άλλα λόγια, η αύξηση του πληθυσμού είναι πυκνοεξαρτημένη, σε αντίθεση με την

10 εκθετική αύξηση, η οποία είναι πυκνοαναξάρτητη (ανεξάρτητη από την πυκνότητα του πληθυσμού). Τις αναστολές που προκαλούνται στην αύξηση ενός πληθυσμού, λόγω του ανταγωνισμού ανάμεσα στα μέλη του για την αναζήτηση διαθέσιμων πόρων, μπορούμε να τις περιγράψουμε μαθηματικά με τη βοήθεια της εξίσωσης (3.7), προσθέτοντας σε αυτή μια μεταβλητή για τον υπολογισμό των επιδράσεων της πυκνότητας. Το διασταλτικό αποτέλεσμα της αύξησης του πληθυσμού μπορεί να περιγραφεί από το μαθηματικό τύπο (Εξίσωση 3.9): Κ N/Κ (3.9) Στον παραπάνω τύπο καθώς το Ν προσεγγίζει το Κ, η τιμή της μεταβλητής μειώνεται με κατεύθυνση το μηδέν. Έτσι, έχουμε την εξίσωση (3.10): dν/dt = rn (K N/K) = rn (1 N/K) (3.10) Όπου: dν/dt αντιπροσωπεύει τον στιγμιαίο ρυθμό της μεταβολής στην πυκνότητα του πληθυσμού Ν, Κ είναι η χωροϊκανότητα, και (Κ Ν)Κ είναι η ευκαιρία που δεν έχει χρησιμοποιηθεί για αύξηση πληθυσμού. Καθώς ο πληθυσμός αυξάνεται, η ευκαιρία που δεν έχει χρησιμοποιηθεί μειώνεται. Η εξίσωση (3.10) περιγράφει μια καμπύλη λογιστική, σιγμοειδή ή σχήματος S (Εικόνα 3.4). Για να δώσουμε ένα παράδειγμα της λογιστικής αύξησης, ας θεωρήσουμε έναν υποθετικό πληθυσμό με αρχικό μέγεθος μελών 100 και ένα ρυθμό αύξησης r ίσο με 0,412 (λ = 1,51). Ο πληθυσμός αυτός θα αυξηθεί ως ακολούθως: Έτος Μέγεθος ,6 400,6 Παρατηρούμε λοιπόν, ότι στην αρχή ο ρυθμός της αύξησης είναι αργός, στη συνέχεια αυτός επιταχύνεται και τελικά επιβραδύνεται. Το σημείο της καμπύλης της λογιστικής αύξησης, στο οποίο η αύξηση είναι μέγιστη, είναι το Κ/2, και φέρεται με την ονομασία σημείο κάμψης (inflection point). Από το σημείο αυτό και μετά, η αύξηση του πληθυσμού επιβραδύνεται και, καθώς η πυκνότητα του πληθυσμού πλησιάζει την χωροϊκανότητα, το Ν προσεγγίζει το Κ, οπότε και ο ρυθμός πέφτει. Η καμπύλη της λογιστικής αύξησης είναι θεωρητική, είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπαριστά τον τρόπο με τον οποίο οι πληθυσμοί πρέπει να αναπτύσσονται κάτω από ευνοϊκές συνθήκες. Αυτό βέβαια σπάνια συμβαίνει, μολονότι οι φυσικοί πληθυσμοί έπρεπε να αναπτύσσονται με λογιστικό τρόπο.

11 Εικόνα 3.4. Λογιστική ή σιγμοειδής καμπύλη αύξησης για ένα υποθετικό πληθυσμό. Ας πάρουμε για παράδειγμα την αύξηση του λευκού πληθυσμού από Ευρωπαίους προγόνους στο νομό (κομητεία) του Monroe στη Δυτική Virginia, η οποία είχε ήδη ένα σταθερό οικονομικό υπόβαθρο με βάση την γεωργία και τις μικρές βιοτεχνικές επιχειρήσεις (Smith 1992). Δημιουργήθηκε από τους Ευρωπαίους στις αρχές του 1700 και στα 1800, και όταν έγινε και η πρώτη Γενική Απογραφή στις ΗΠΑ, ήταν ένας πλούσιος και καλά ανεπτυγμένος νομός. Ανάμεσα στο 1800 και το 1850, ο πληθυσμός αναπτύχθηκε πάρα πολύ γρήγορα, έτσι που η περίοδος αυτή να μπορεί να προμηθεύσει τα δεδομένα για την εκτίμηση του r. Ο πληθυσμός το 1900 έφτασε τις άτομα και μέχρι αυτό το έτος παρουσίαζε διακυμάνσεις γύρω από αυτό τον αριθμό ατόμων. Ο ρυθμός της αύξησης r υπολογίστηκε σε 0,074 και το Κ τέθηκε στο Μολονότι η πραγματική αυξητική καμπύλη του πληθυσμού μιμήθηκε τη λογιστική καμπύλη, η λογιστική καμπύλη ανέβηκε πάρα πολύ απότομα απ ό,τι η πραγματική καμπύλη αύξησης και προέβλεψε ότι, ο πληθυσμός θα έφτανε το Κ γύρω στα 1870, 30 έτη ενωρίτερα από ότι πραγματικά έφτασε (Εικόνα 3.5). Οι αιτίες της ανομοιομορφίας είναι προφανείς. Από περίοδο απογραφής σε περίοδο απογραφής, η δομή της ηλικίας δεν ήταν σταθερή και οι ρυθμοί γεννήσεων και θανάτων διέφεραν. Οι μορφές της μετανάστευσης ήταν κοινές για τον πληθυσμό. Το πλέον εκπληκτικό χαρακτηριστικό του πληθυσμού πάντως, ήταν η σχετική σταθερότητα που επέδειξε αφού έφτασε το Κ Βιοτικό δυναμικό Εκτός από το ρυθμό αύξησης ενός πληθυσμού (ΔΝ/Δt), υπάρχει και ο όρος ειδικός ρυθμός αύξησης. Ο όρος αυτός υποδηλώνει το μέσο ρυθμό μεταβολής του αριθμού των ατόμων ανά μονάδα χρόνου και άτομο και εκφράζεται από το κλάσμα ΔΝ/(ΝΔt).

12 Εικόνα 3.5. Πραγματική και λογιστικά προβλεφθείσα αύξηση του λευκού πληθυσμού από Ευρωπαίους προγόνους στο νομό (κομητεία) του Monroe στη Δυτική Virginia. Πηγή: Προσαρμογή από τον Smith (1992). Στην περίπτωση κατά την οποία η κατανομή των ηλικιών ενός πληθυσμού, σε ιδανικές συνθήκες βιοτόπου, φτάσει τη σταθερότητα, τότε ο ειδικός ρυθμός αύξησης ονομάζεται ενδογενής ρυθμός φυσικής αύξησης. Όταν αυτός φτάσει την μέγιστή του τιμή, τότε ονομάζεται βιοτικό δυναμικό ή αναπαραγωγικό δυναμικό. Στις διάφορες οικολογικές μελέτες ενδιαφέρον παρουσιάζει η διαφορά μεταξύ του ενδογενούς ρυθμού φυσικής αύξησης και του βιοτικού δυναμικού, διότι η διαφορά αυτή αποτελεί ένα μέτρο της αντίστασης που ασκεί το περιβάλλον στον πληθυσμό Θεωρίες για τον έλεγχο του πληθυσμού Οι μηχανισμοί ελέγχου των πληθυσμών, και ιδιαίτερα των ζωικών πληθυσμών, παρουσιάζουν πρακτικό και θεωρητικό ενδιαφέρον για πολλούς επιστημονικούς κλάδους (θηραματοπονία, εντομολογία, κοινωνιολογία κ.λ.π.). Σε όλους τους πληθυσμούς ενός οικοσυστήματος υπάρχει η τάση να εξελίσσονται μέσω της φυσικής επιλογής, έτσι ώστε, να επέρχεται ο έλεγχος του μεγέθους των. Το μέγεθος του πληθυσμού ελέγχεται από μια πλειάδα παραγόντων, οι οποίοι μπορούν να καταταγούν σε δυο μεγάλες κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι παράγοντες στους οποίους η επίδραση είναι ανεξάρτητη από την πυκνότητα του πληθυσμού και οι παράγοντες αυτοί ονομάζονται πυκνοανεξάρτητοι. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι παράγοντες στους οποίους η επίδραση είναι συνάρτηση της πυκνότητας και οι παράγοντες αυτοί ονομάζονται πυκνοεξαρτημένοι. Οι πρώτοι θεωρούνται έμμεσοι, οι δε τελευταίοι άμεσοι. Με βάση την κατάταξη αυτή οι βιοτοπικοί παράγοντες είναι πυκνοανεξάρτητοι, ενώ οι βιοκοινοτικοί είναι πυκνοεξαρτημένοι.

13 Για την ερμηνεία του μηχανισμού ή των μηχανισμών, μέσω των οποίων ελέγχεται ο πληθυσμός, έχουν προταθεί τέσσερες (4) θεωρίες, οι οποίες έχουν ως βάση διαφοροποίησης την έμφαση, που η κάθε μια από τις θεωρίες αυτές δίνει στους παράγοντες, οι οποίοι επιδρούν θετικά ή αρνητικά, στον πληθυσμό. Οι θεωρίες αυτές είναι: α) η βιοτική θεωρία. Η θεωρία αυτή πρεσβεύει ότι, οι πυκνοεξαρτημένοι παράγοντες (βιοτικές αλληλεπιδράσεις) ελέγχουν την μεταβολή του πληθυσμού και τον καθορισμό της μέσης αφθονίας. β) η κλιματική θεωρία. Η θεωρία αυτή υποστηρίζει ότι, οι κλιματικοί παράγοντες έχουν μεγαλύτερη σημασία, τους οποίους μάλιστα τείνει να θεωρεί μάλλον πυκνοεξαρτημένους παρά πυκνοανεξάρτητους. γ) η περιεκτική θεωρία. Σύμφωνα με την θεωρία αυτή όλοι οι παράγοντες, είτε είναι πυκνοανεξάρτητοι, είτε είναι πυκνοεξαρτημένοι, είναι σημαντικοί, με συνέπεια, οι πληθυσμοί να ελέγχονται από ένα σύμπλοκο βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων. δ) η αυτορρυθμιστική θεωρία. Η αυτορρυθμιστική θεωρία δίνει έμφαση στα φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα στον πληθυσμό, εξαιτίας τόσο των εγγενών χαρακτηριστικών ιδιοτήτων του πληθυσμού, όσο και των φυσιολογικών ιδιοτήτων των ατόμων τα οποία απαρτίζουν τον πληθυσμό. Συνεπώς, η θεωρία αυτή δέχεται ότι, ο πληθυσμός μεταβάλλεται με τη μεταβολή της ποιότητας των ατόμων, η δε ποιότητα των ατόμων μεταβάλλεται, είτε λόγω γενετικών αιτίων, είτε λόγω της αύξησης αυτής καθεαυτής του πληθυσμού. Οι θεωρίες που συνοπτικά αναφέρθηκαν παραπάνω, δεν πρέπει να εκληφθεί ότι η μια αποκλείει την άλλη, αλλά ότι μάλλον αλληλοσυμπληρώνονται. Άλλωστε, για την ερμηνεία των περισσότερων προβλημάτων μεταβολής του πληθυσμού απαιτείται η χρησιμοποίηση περισσότερων της μιας θεωριών Οι διακυμάνσεις Η λογιστική εξίσωση υποδηλώνει ότι οι πληθυσμοί λειτουργούν ως συστήματα τα οποία, όπως όλα τα συστήματα, ρυθμίζονται από τις αναδράσεις (feedbacks). Η αύξηση προκύπτει από την θετική ανάδραση (η οποία διασαφηνίζεται από την εκθετική καμπύλη) και καθυστερεί με την αρνητική ανάδραση του ανταγωνισμού και της ανεπάρκειας των πόρων. Μόλις ο πληθυσμός προσεγγίσει το ανώτερο όριο του περιβάλλοντος, θεωρητικά αυτός ανταποκρίνεται αυτόματα, καθώς παρεμβάλλονται οι πυκνοεξαρτημένες αντιδράσεις. Όμως στην πράξη, τέτοιες αναδράσεις αντιδρούν σπάνια τόσο απαλά, όσο υποδηλώνεται αυτό από την εξίσωση. Συχνά, οι ρυθμιστικές υστερήσεις και οι διαθέσιμοι πόροι μπορεί να είναι επαρκείς, ώστε να επιτρέψουν στον πληθυσμό να υπερκεράσει το ισοζύγιο. O πληθυσμός, ανίκανος να υποστηρίξει το εαυτό του με τους υπάρχοντες διαθέσιμους πόρους, αναγκάζεται να μειωθεί, όχι όμως, πριν αυτός κατορθώσει να τροποποιήσει τη διαθεσιμότητα των πόρων προς όφελος των μελλοντικών γενεών. Η πυκνότητα της προηγούμενης γενεάς και η ανάκαμψη των πόρων, ειδικότερα οι προμήθειες σε τροφή, δημιουργούν μια χρονική υστέρηση στην ανάκαμψη του πληθυσμού.

14 Εικόνα 3.6. Γενικευμένες καμπύλες (α) του τετραετούς κύκλου του καφέ ποντικού και (β) μιας τετραετούς ταλάντωσης που δείχνει δευτερεύουσες ταλαντώσεις. Πηγή: Προσαρμογή από τον Pitelka (1957). Οι χρονικές υστερήσεις έχουν ως κατάληξη τις διακυμάνσεις των πληθυσμών. Ένας πληθυσμός είναι δυνατόν να διακυμαίνεται ευρέως, χωρίς καμία αναφορά στο μέγεθος της ισορροπίας. Οι πληθυσμοί αυτοί μπορεί να επηρεάζονται από κάποια πανίσχυρη εξωτερική δύναμη, όπως π.χ. οι καιρικές συνθήκες, ή από κάποιες χαοτικές μεταβολές, επίκτητες του πληθυσμού. Ένας πληθυσμός μπορεί να διακυμανθεί γύρω από το επίπεδο ισορροπίας, το Κ (το οποίο προκύπτει ως το μέσο μέγεθος του πληθυσμού μέσα στο χρόνο), ανεβαίνοντας και πέφτοντας ανάμεσα στο ανώτερο και το κατώτερο όριο. Κάποιοι πληθυσμοί ταλαντεύονται ανάμεσα στο υψηλότερο και το χαμηλότερο σημείο, με ένα τρόπο περισσότερο κανονικό από αυτόν που θα περιμέναμε να συμβεί κατά τύχη. Οι διακυμάνσεις αυτές ονομάζονται κύκλοι. Στους ζωικούς πληθυσμούς, τα δύο περισσότερο κοινά διαστήματα ταλάντωσης είναι, τα 9 έως 10 έτη τυποποιημένα για τον λίγκα και τον χιονοπόδαρο λαγό και τα 3 έως 4 έτη για τα τρωκτικά του γένους Lemmus (Εικόνα 3.6). Στα πιο απλά

15 οικοσυστήματα, όπως είναι αυτά των βόρειων κωνοφόρων δασών και της τούντρας, οι κυκλικές αυτές διακυμάνσεις περιορίζονται σε μεγάλο βαθμό. Οι κύκλοι στους χιονοπόδαρους λαγούς, κατά ένα μεγάλο μέρος, έχουν να κάνουν κατά ένα μέρος με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στο λαγό και τις προμήθειες τις οποίες αυτός χρειάζεται για να περάσει το χειμώνα, και ως επί το πλείστο είναι τα μικρά κλαδιά του ψευδοπλάτανου. Η υπερκατανάλωση των προμηθειών σε τροφή από τους αναπτυσσόμενους πληθυσμούς των λαγών μειώνουν την ικανότητα των φυτών να ανακάμψουν από την υπερβολική κλαδονομή. Τελικά, η φθίνουσα ανάπτυξη του φυτού πυροδοτεί μια έλλειψη τροφής στην περίοδο του χειμώνα, με τελικό αποτέλεσμα τα υψηλά ποσοστά θνησιμότητας στους λαγούς. Όταν οι πληθυσμοί του λαγού είναι μικροί, η βλάστηση ανακάμπτει, διεγείροντας έτσι, ένα ξαναζωντάνεμα του πληθυσμού των λαγών και αρχίζοντας ένα νέο κύκλο Η εξάλειψη (εξολόθρευση) Όπως φαίνεται και από τις καμπύλες αύξησης, η αύξηση του πληθυσμού είναι μέγιστη. όταν δεν υπάρχουν, ούτε πάρα πολλά αλλά, ούτε και πάρα πολύ λίγα άτομα. Αυτό λέγεται επίδραση του Allee (Allee effect) και φαίνεται στην Εικόνα 3.7. Όταν ο πληθυσμός κατεβαίνει κάτω από ή περνάει πάνω από τα σημεία αυτά, ο ρυθμός της αύξησης μειώνεται. Η αυξημένη αραιότητα είναι συνδεδεμένη με τη μείωση του ρυθμού της αύξησης. Ο πληθυσμός μπορεί να καταστεί πολύ μικρός, έτσι ώστε, το r να καταστεί αρνητικό και ο πληθυσμός να μειωθεί μέχρι του σημείου της εξαφάνισης. Σστην διεθνή βιβλιογραφία, ένα κλασσικό παράδειγμα αποτελεί η χήνα Tympanuchus cupido cupido. Άλλοτε, το είδος αυτό των αμερικάνικων λιβαδιών ήταν πολυπληθέστατο στη Νέα Αγγλία. Εξαναγκάστηκε όμως να μεταναστεύσει προς τα ανατολικά, λόγω του ότι κυνηγήθηκε υπερβολικά. Για τη μείωση των αραιών πληθυσμών υπάρχουν αρκετές αιτίες. Όταν στον βιότοπο υπάρχουν παρόντα μόνο λίγα ζώα, τα θηλυκά, τα οποία βρίσκονται σε αναπαραγωγική ηλικία, έχουν πολύ μικρή πιθανότητα να συναντήσουν ένα αρσενικό. το οποίο θα βρίσκεται στην ίδια αναπαραγωγική κατάσταση με τα θηλυκά. Έτσι, πολλά θηλυκά παραμένουν αγονιμοποίητα, με συνέπεια η γονιμότητα να μειώνεται και ένας μικρός πληθυσμός να αντιμετωπίζει την προοπτική ενός αυξημένου ρυθμού θανάτων. Επίσης, όσο λιγότερα είναι τα ζώα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η πιθανότητα των ατόμων να υποκύψουν στην αρπαγή. Τέλος, οι μικροί πληθυσμοί είναι δυνατό να μην είναι αρκετά ικανοί να διεγείρουν εκείνη την κοινωνική συμπεριφορά, η οποία είναι απαραίτητη για μια επιτυχημένη αναπαραγωγική δραστηριότητα. Η εξάλειψη, μολονότι αυτή είναι επιλεκτική, αποτελεί μια φυσική διαδικασία. Τα είδη εμφανίζουν διαφορές, σε ότι αφορά την πιθανότητα αυτά να εξαλειφθούν, μια πιθανότητα, η οποία εξαρτάται περισσότερο από τα χαρακτηριστικά των ειδών, παρά συλλήβδην από κάποιους τυχαίους παράγοντες. Κάποιοι από τους παράγοντες, οι οποίοι ευνοούν τον υψηλό ρυθμό εξάλειψης των ειδών, είναι: το μεγάλο μέγεθος του σώματος, η μικρή ή η περιορισμένη γεωγραφική εξάπλωση, η εξειδίκευση στο βιότοπο ή την τροφή, η έλλειψη της γενετικής πλαστικότητας και η απώλεια κάποιων εναλλακτικών υποψήφιων θυμάτων αρπαγής μεταξύ των σαρκοφάγων οργανισμών.

16 Εικόνα 3.7. Η επίδραση του Allee (Allee effect). Η αύξηση του πληθυσμού είναι υψηλότερη όταν αυτοί βείσκονται σε μέτριες πυκνότητες. Οι πληθυσμοί μειώνονται όταν το μεγεθός του ξεπερνάει κάποιο ανώτερο όριο, Κ, ή φέφτει κάτω από ένα κατώτερο όριο, Χ. Σε αμφότερες τις συνθήκες το r είναι αρνητικό. Πηγή: Προσαρμογή από τον Smith (1992). Οι εξαλείψεις δεν εξαπλώθηκαν ομοιόμορφα μέσα στο πέρασμα της ιστορίας της Γης. Οι περισσότερες από αυτές είναι, θα λέγαμε, συγκεντρωμένες σε γεωλογικά βραχείες χρονικές περιόδους (μικρότερες από λίγες δεκάδες εκατομμύρια έτη). Μια από αυτές συνέβη στην ύστερη Περμιανή περίοδο, 225 εκατομμύρια έτη πριν από σήμερα, όταν εξαφανίστηκε το 90% από τα θαλάσσια ασπόνδυλα των αβαθών υδάτων. Μια άλλη εξάλειψη συνέβη στην Κρητιδική περίοδο, 65 έως 125 εκατομμύρια έτη πριν από σήμερα, όταν χάθηκαν οι δεινόσαυροι. Ίσως, η εξάλειψη αυτή να προήλθε από κάποια εξωγήινη επίδραση, όπως π.χ. να είχε πέσει πάνω στη Γη κάποιο αστεροειδές, το οποίο προφανώς, διέκοψε τις ωκεάνιες κυκλοφορίες, επηρέασε τις κλιματικές συνθήκες και η πρόσκρουσή του με τη Γη να συνοδεύτηκε από μια σειρά ανυπότακτων ηφαιστειακών και ορεογεννητικών δραστηριοτήτων. Μια από τις μεγαλύτερες εξαλείψεις της θηλαστικής ζωής έλαβε χώρα κατά τη διάρκεια της Πλειστόκαινης περιόδου, όταν κάποια είδη, όπως το τριχωτό μαμούθ, το γιγαντιαίο ελάφι, το μαστόδοντο και η γιγαντιαία αρκούδα εξαφανίστηκαν από προσώπου Γης. Κάποιοι μελετητές της Τεταρτογενούς περιόδου πιστεύουν ότι, ήταν οι κλιματολογικές αλλαγές εκείνες, οι οποίες επέδρασαν και προκάλεσαν τις εξαφανίσεις, με την προέλαση και την οπισθοχώρηση του πάγου. Κάποιοι άλλοι ισχυρίζονται ότι, οι εξαφανίσεις κάποιων μεγάλων θηλαστικών προκλήθηκαν βασικά από τους υπερβολικούς φόνους που διέπραξαν, ειδικά στη Βόρεια Αμερική, οι κυνηγοί της Πλειστόκαινης περιόδου, ανθρώπινοι πληθυσμοί που έζησαν στη Βόρεια και Νότια Αμερική ανάμεσα στα και έτη πριν από σήμερα, και ενδεχομένως, από

17 την αδυναμία των μεγάλων φυτοφάγων να ανταποκριθούν στην συνδυασμένη αρπακτική πίεση των ανθρώπων και των μεγάλων σαρκοφάγων. Πολλές φορές θεωρούμε ότι η εξαφάνιση λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα σ όλο το εύρος των ειδών. Στην πράξη όμως, αυτή αρχίζει με κάποιες απομονωμένες τοπικές εξαλείψεις, οι οποίες προκαλούνται με την υποβάθμιση των συνθηκών του περιβάλλοντος. Έτσι, μια τοπική εξάλειψη, η οποία προστίθεται σε κάποια άλλη, όλες μαζί αθροίζονται και τελικά σχηματίζουν την συνολική εξαφάνιση. Στις μέρες μας, η πλέον σημαντική αιτία της εξάλειψης είναι η τροποποίηση του βιοτόπου, η οποία ασφαλώς και αποτελεί ένα τοπικό φαινόμενο. Η ξύλευση και η αποψίλωση των δασών, η αποξήρανση και το γέμισμα των υγροτόπων, η μετατροπή των ποολίβαδων σε καλλιεργούμενες εκτάσεις, η κατασκευή αυτοκινητοδρόμων και βιομηχανικών συγκροτημάτων, η αστικοποίηση και η προαστικοποίηση, αποτελούν ενέργειες οι οποίες μειώνουν σε μεγάλο βαθμό τον διαθέσιμο βιότοπο για πολλά είδη. Και όταν ένας βιότοπος καταστρέφεται, τότε η μοναδική φυτική ζωή του εξαλείφεται και τα ζώα πρέπει, είτε να προσαρμοστούν στις μεταβληθείσες συνθήκες, είτε να αναζητήσουν ένα νέο μέρος για να εγκατασταθούν. Λόγω της ταχύτητας με την οποία καταστρέφεται ένας βιότοπος, δεν επαρκεί για οποιοδήποτε είδος ο απαιτούμενος εξελικτικός χρόνος, ώστε το είδος αυτό να μπορέσει να προσαρμοστεί στις νέες συνθήκες. Αναγκασμένο λοιπόν να εγκαταλείψει το βιότοπό του, το «ανέστιο» είδος συνήθως βρίσκει τους υπόλοιπους βιότοπους κατειλημμένους και αντιμετωπίζει τον ανταγωνισμό από άλλα άτομα του είδους του ή από άτομα άλλων ειδών. Τα ζώα, περιορισμένα σε οριακούς βιότοπους, είτε παραμένουν για λίγο ως μη αναπαραγωγικά μέλη του πληθυσμού, είτε υποκύπτουν στην αρπαγή ή την πείνα. Καθώς ο βιότοπος τεμαχίζεται όλο και περισσότερο, τα ζώα κατακερματίζονται σε μικρούς, απομονωμένους, «νησιώτικους» πληθυσμούς, χωρίς καμιά επαφή από τους άλλους πληθυσμούς του είδους τους. Αποτέλεσμα αυτού είναι, οι γενετικές μεταβολές στους απομονωμένους πληθυσμούς να μειώνονται, κάνοντας τα μέλη των πληθυσμών αυτών λιγότερο προσαρμόσιμα στις περιβαλλοντικές αλλαγές και συχνά και σε μεγάλο βαθμό, η διατήρηση των τοπικών πληθυσμών να εξαρτάται από τη μετανάστευση των νέων ατόμων. Όμως, όταν η απόσταση ανάμεσα στους τοπικούς ή τους «απομονωμένους» πληθυσμούς αυξάνει και, όταν το μέγεθος των τοπικών πληθυσμών μειώνεται, η μετανάστευση καθίσταται αδύνατη. Και καθώς ο τοπικός πληθυσμός πέφτει κάτω από ένα ελάχιστο επίπεδο, πολύ απλά, αυτός είναι δυνατό να εξαφανιστεί μέσω κάποιων τυχαίων διακυμάνσεων. Με τον τρέχοντα ρυθμό μεταβολής των βιοτόπων από τους ανθρώπους, δεν θα πρέπει να μας ξαφνιάσουν κάποιες μαζικές εξοντώσεις πληθυσμών Ο ενδογενής ανταγωνισμός Ο έλεγχος του πληθυσμού περιλαμβάνει εν μέρει και τον ανταγωνισμό μεταξύ των ατόμων του ιδίου είδους για την εκμετάλλευση των περιβαλλοντικών πόρων. Ο ενδογενής ανταγωνισμός προκύπτει μόνο, όταν ένας αναγκαίος πόρος βρίσκεται σε ουσιώδη ανεπάρκεια, σε σχέση με τον αριθμό των ατόμων που τον επιζητούν. Όσο καιρό οι πόροι βρίσκονται σε τέτοιο βαθμό αφθονίας, ώστε σε κάθε ανεξάρτητο άτομο να διατίθενται επαρκείς ποσότητες για την επιβίωση και την αναπαραγωγή του, τότε δεν υφίσταται κανένας ανταγωνισμός. Όταν όμως, οι πόροι καθίστανται ανεπαρκείς για να εκπληρώσουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις ανάγκες όλων των ατόμων, οι τρόποι με τους οποίους αυτοί κατανέμονται έχουν μια χαρακτηριστική επίδραση στην ευημερία του πληθυσμού.

18 Τύποι του ενδογενούς ανταγωνισμού Όταν οι πόροι είναι περιορισμένοι, ένας πληθυσμός είναι δυνατό να παρουσιάσει μια από τις εξής δύο αντιδράσεις. Στην πρώτη περίπτωση, όλοι οι οργανισμοί είναι δυνατό να μοιράζονται τους πόρους εξίσου, χωρίς κανένας από αυτούς να αποκομίζει αρκετούς πόρους για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή του, με δεδομένο πάντοτε ότι, η πυκνότητα του πληθυσμού διατηρείται υψηλή ή ο ανταγωνισμός παραμένει έντονος. Ο ανταγωνισμός αυτός ονομάζεται εξαντλητικός (scramble). Στην άλλη περίπτωση, κάποιοι οργανισμοί είναι ικανοί να επιζητήσουν αρκετούς πόρους για τη συντήρηση και την αναπαραγωγή τους, ενώ ταυτόχρονα, αρνούνται σε κάποιους άλλους μέρος από τους πόρους αυτούς. Αυτός ο τύπος του ανταγωνισμού ονομάζεται διεκδικητικός (contest) και οδηγεί σ ένα σταθερό αριθμό ατόμων, οι οποίοι θα επιβιώσουν, ανεξαρτήτως της αρχικής πυκνότητας. Σε γενικές γραμμές και κάτω από την πίεση των περιορισμένων πόρων, ένα είδος μπορεί να επιδείξει μόνο ένα τύπο ανταγωνισμού. Κάποιοι οργανισμοί είναι εξαντλητικά είδη και κάποιοι άλλοι διεκδικητικά είδη. Ακόμη, κάποιοι άλλοι οργανισμοί διαφοροποιούνται, ανάλογα με στάδιο του βιολογικού τους κύκλου, στο οποίο αυτοί βρίσκονται, όπως για παράδειγμα κάποια έντομα, τα οποία στα στάδια της κάμπιας δέχονται τον παρεμβατικό ανταγωνισμό, ενώ στα ώριμα στάδια αντιμετωπίζουν τον εξαντλητικό ανταγωνισμό. Όπως είναι λογικό, τα αποτελέσματα των δύο μορφών ανταγωνισμού διαφέρουν. Ο εξαντλητικός ανταγωνισμός μπορεί να δημιουργήσει στον πληθυσμό χαοτικές ταλαντώσεις μέσα στο χρόνο και να περιορίσει τη μέση πυκνότητα του πληθυσμού σε ένα επίπεδο κάτω από το οποίο οι πόροι δεν μπορούν να την υποστηρίξουν, εάν έχει χορηγηθεί μια επαρκής ποσότητα πόρων μόνο σ ένα μέρος του πληθυσμού. Για το λόγο αυτό, ο εξαντλητικός ανταγωνισμός είναι δυνατό να σπαταλήσει τους πόρους που σχετίζονται με την αύξηση του πληθυσμού. Στον διεκδικητικό ανταγωνισμό τα επικίνδυνα αποτελέσματα των περιορισμένων πόρων περιορίζονται σ ένα τμήμα του πληθυσμού, και συγκεκριμένα στα «αποτυχημένα» άτομα. Σ αυτόν, η απώλεια των πόρων λόγω σπατάλης εκμηδενίζεται ή ελαττώνεται σε μεγάλο βαθμό, επιτρέπει όμως, να διατηρηθεί μια σχετικά υψηλή πυκνότητα πληθυσμού και να συντηρηθεί κάποια αριθμητική σταθερότητα. Αμφότεροι οι τύποι του ανταγωνισμού εμφανίζουν ένα κατώτερο επίπεδο (κατώφλι), κάτω από το οποίο δεν λαμβάνει χώρα κανένας ανταγωνισμός και όλοι οι οργανισμοί επιβιώνουν ή διατηρούνται σε καλή (φυσική) κατάσταση. Πάνω από το επίπεδο αυτό ο εξαντλητικός ανταγωνισμός καταλήγει, στην καλύτερη περίπτωση, σε μικρή παραγωγή απογόνων και είναι δυνατόν ο πληθυσμός να μειωθεί στο μηδέν. Οσάκις όμως, ένας πληθυσμός που πρέπει να αντιμετωπίσει τον ανταγωνισμό διεκδικητικού τύπου, κατορθώσει να ξεπεράσει το κατώφλι αυτό, ένα τμήμα των οργανισμών του πληθυσμού θα καρπωθεί όλους τους πόρους, οι οποίοι είναι αναγκαίοι και ικανοί, ώστε οι οργανισμοί αυτοί να επιβιώσουν και να δημιουργήσουν απογόνους. Τα παραμένοντα άτομα θα πάρουν λιγότερους πόρους απ όσους πραγματικά χρειάζονται και θα δημιουργήσουν λιγότερους απογόνους ή μπορεί ακόμη και να πεθάνουν. Συμπερασματικά, στον εξαντλητικό ανταγωνισμό οι περισσότεροι οργανισμοί θα πάρουν λιγότερα απ όσα τους χρειάζονται, ενώ στον διεκδικητικό ανταγωνισμό μόνο ένα τμήμα του πληθυσμού θα αντιμετωπίσει αυτή τη μοίρα.

19 Οι συνέπειες του ανταγωνισμού Επειδή η ένταση του ανταγωνισμού μεταξύ των ειδών είναι πυκνοεξαρτημένη ή πυκνοαναλογική, ο ανταγωνισμός αυξάνεται με αργούς ρυθμούς. Δεν εμπλέκεται σε αιφνίδια κατώφλια, αυξάνεται βαθμιαία, επηρεάζοντας στην αρχή μόνο την ποιότητα της ζωής και στη συνέχεια, την επιβίωση και την αναπαραγωγή των καθέκαστα ατόμων Η καθυστερημένη αύξηση και η επιβραδυνόμενη αναπαραγωγή Καθώς η πυκνότητα του πληθυσμού αυξάνει με κατεύθυνση το σημείο μετά από στο οποίο οι πόροι καθίστανται ανεπαρκείς, τα άτομα στον εξαντλητικό ανταγωνισμό μειώνουν τις ποσότητες τροφής που προσλαμβάνουν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, και ο ρυθμός αύξησης να μειώνεται και η αναπαραγωγή να παρεμποδίζεται. Παραδείγματα αυτής της αντίστροφης σχέσης μεταξύ της πυκνότητας και του ρυθμού σωματικής ανάπτυξης μπορούν να ανεβρεθούν ανάμεσα στους πληθυσμούς των ποικιλόθερμων σπονδυλωτών. Λάρβες βατράχου (αμφίβιο-κάμπια) που ανατράφηκαν πειραματικά σε υψηλές πυκνότητες απέτυχαν να αναπτυχθούν κανονικά (Εικόνα 3.8α). Βίωσαν μια πιο αργή αύξηση, απαίτησαν ένα μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να φτάσουν στο μέγεθος, στο οποίο ο μετασχηματισμός από το στάδιο αμφίβιο-κάμπια λαμβάνει χώρα και είχαν μια μικρότερη πιθανότητα για να ολοκληρώσουν την μεταμόρφωση. Αυτοί που τελικά κατάφεραν να φτάσουν στο μέγεθος κατώφλι, ήταν σε μέγεθος μικρότεροι από αυτούς, οι οποίοι ζούσαν μέσα σε λιγότερο πυκνούς πληθυσμούς. Εικόνα 3.8. Δυο παραδείγματα της επίδρασης της πυκνότητας του πληθυσμού στην αύξηση των οργανισμών ενός πληθυσμού. (α) Η επίδραση της πυκνότητας στο ρυθμό αύξησης του βατράχου Rana tigrina. Με την αύξηση των ατόμων από τα 5 στα 160 που ανατρέφονται στο ίδιο χώρο οι ρυθμοί αύξησης των καθέκαστα ατόμων μειώνονται. (β) Η αύξηση ενός ψαριού (Lepomis macrochirus) καθώς ο πληθυσμός επηρεάζεται από την πυκνότητα. Η αύξηση μειώνεται γρήγορα με μια πυκνότητα πάνω από 1500 ψάρια ανά Ha. Αμφότερες οι εικόνες αναφέρονται στην τύπο του εξαντλητικού ανταγωνισμού. Πηγή: Προσαρμογή από (α) τους Dash and Hota (1980) και (β) τους Backiel and LeCren (1967).

20 Ψάρια που ζούσαν σε δεξαμενές σε μεγάλους πληθυσμούς, επέδειξαν μια παρόμοια αντίδραση απέναντι στην πυκνότητα (Εικόνα 3.8β). Τα είδη Lepomis macrochirus για παράδειγμα, αναπτύσσονται σε κανονικές συνθήκες μέχρι το μέγεθος που ισοδυναμεί με ένα πιάτο γεύματος. Όμως, στις δεξαμενές εκτροφείων με μεγάλους πληθυσμούς, χωρίς να γίνεται καμιά συγκομιδή, αυτά σπάνια αυξάνουν πάνω από το μήκος των 7 cm και ποτέ δεν αναπαράγονται. Όπως ακριβώς συμβαίνει με τα ψάρια και τους γυρίνους, έτσι και τα φυτά μπορούν και ανταποκρίνονται σε μια εξαντλητική μορφή ανταγωνισμού μέσω του ελέγχου της αύξησης των ατόμων. Οι βοτανικοί ονομάζουν το φαινόμενο αυτό φαινοτυπική πλαστικότητα. Τα άτομα ρυθμίζουν την μορφή, το μέγεθος και το σχήμα της αύξησής τους, τον αριθμό των φύλλων, των ανθέων και την παραγωγή των σπόρων, με ένα εξαντλητικά ανταγωνιστικό τρόπο, απέναντι στους περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Σε κάποια φυτά, η εγγενής αναπαραγωγή σε υψηλές πυκνότητες είναι σχεδόν ανύπαρκτη. Αυτή συντελείται μόνο αγενώς. Ο αριθμός των αγενώς παραχθέντων απογόνων μειώνεται, καθώς αυξάνει η πυκνότητα των φυτών. Για παράδειγμα, τα γονίδια του πολυετούς λόλιου (Lolium perenne) παράγουν στις υψηλές πυκνότητες λιγότερα αδελφώματα, και το βάρος τους είναι χαμηλό, ενώ σε χαμηλές πυκνότητες τα γονίδια παράγουν πολλά αδελφώματα και το βάρος τους είναι υψηλό Η μείωση της πυκνότητας και η αύξηση της βιομάζας Ανάμεσα στην πυκνότητα των φυτών και την αύξηση των καθέκαστα ατόμων των φυτών, όπως αυτή μετράται με τη συσσώρευση της βιομάζας, υφίσταται μια στενή σχέση. Όλα τα αρτίφυτρα εμφανίζουν, μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο, μια αύξηση στη βιομάζα τους. Στη συνέχεια, καθώς το μέγεθός τους αυξάνει, τα φυτά «συγκρούονται» μεταξύ τους, ανταγωνιζόμενα για τους ίδιους πόρους, δηλαδή αυτά ανταγωνίζονται για το φως, την υγρασία, τα θρεπτικά στοιχεία, το χώρο. Αρχικά, τα φυτά ανταποκρίνονται, τόσο στον ανταγωνισμό, όσο και την αυξημένη πυκνότητα με τρόπο πλαστικό, τροποποιώντας τη μορφή και το μέγεθός τους. Και μέχρις ενός σημείου, τα φυτά το επιτυγχάνουν αυτό. Πέρα όμως από το σημείο αυτό, ο πληθυσμός αρχίζει να αντιμετωπίζει την πυκνοεξαρτημένη θνησιμότητα. Η ανταπόκριση προς αυτήν παρατηρείται ενωρίτερα στους πυκνούς πληθυσμούς των αρτιφύτρων, αλλά με την πάροδο του χρόνου, καθώς το μέγεθος του φυτού αυξάνει, το ίδιο συμβαίνει και με τους λιγότερο πυκνούς πληθυσμούς. Όταν τέλος, η βιομάζα των ανεξάρτητων ατόμων αυξηθεί αρκετά, απαιτούνται όλο και λιγότερα φυτά ανά μονάδα επιφανείας, ούτως ώστε, αυτά να μπορέσουν να αναπτυχθούν με τον υφιστάμενο ανταγωνισμό. Και ως τελικό αποτέλεσμα παρατηρούμε ότι, τα φυτά, τα οποία ξεκίνησαν κάτω από διαφορετικές πυκνότητες, αρχίζουν να συγκλίνουν προς την κατεύθυνση μιας κοινής τιμής, η οποία προκύπτει από επανειλημμένες μειώσεις μέσα στο χρόνο. Συμπερασματικά λοιπόν, καθώς η πυκνοεξαρτημένη θνησιμότητα μειώνει τους πληθυσμούς, όλο και περισσότερη βιομάζα σωρεύεται στα παραμένοντα άτομα, με συνέπεια, ένα ώριμο δάσος να παρουσιάζει μεν μια υψηλή βιομάζα, αλλά να έχει και λιγότερα άτομα, σε σύγκριση με μια ομόλογη συστάδα νεαρής όμως ηλικίας (Βλ. Πίνακα 3.5).